Use of Ancient Sedimentary DNA as a Novel Conservation Tool for High-Altitude Tropical Biodiversity

Authors

  • SANNE BOESSENKOOL,

    1. National Centre for Biosystematics, Natural History Museum, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
    Current affiliation:
    1. Centre for Ecological and Evolutionary Synthesis, Department of Biosciences, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
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  • GAYLE MCGLYNN,

    1. School of Natural Sciences, Trinity College Dublin, Dublin 2, Ireland
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  • LAURA S. EPP,

    1. National Centre for Biosystematics, Natural History Museum, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
    Current affiliation:
    1. Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, Research Unit Potsdam, Potsdam, Germany
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  • DAVID TAYLOR,

    1. Department of Geography, National University of Singapore, Kent Ridge, Singapore
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  • MANUEL PIMENTEL,

    1. National Centre for Biosystematics, Natural History Museum, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
    Current affiliation:
    1. Grupo de Investigación en Bioloxía Evolutiva (GIBE), Facultade de Ciencias, Universidade da Coruña, Galicia, Spain
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  • ABEL GIZAW,

    1. National Centre for Biosystematics, Natural History Museum, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
    Current affiliation:
    1. Department of Plant Biology & Biodiversity Management, College of Natural Sciences, Addis Ababa University, Addis Ababa, Ethiopia
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  • SILESHI NEMOMISSA,

    1. Department of Plant Biology & Biodiversity Management, College of Natural Sciences, Addis Ababa University, Addis Ababa, Ethiopia
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  • CHRISTIAN BROCHMANN,

    1. National Centre for Biosystematics, Natural History Museum, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
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  • MAGNUS POPP

    1. National Centre for Biosystematics, Natural History Museum, University of Oslo, Blindern, Oslo, Norway
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Abstract

Conservation of biodiversity may in the future increasingly depend upon the availability of scientific information to set suitable restoration targets. In traditional paleoecology, sediment-based pollen provides a means to define preanthropogenic impact conditions, but problems in establishing the exact provenance and ecologically meaningful levels of taxonomic resolution of the evidence are limiting. We explored the extent to which the use of sedimentary ancient DNA (sedaDNA) may complement pollen data in reconstructing past alpine environments in the tropics. We constructed a record of afro-alpine plants retrieved from DNA preserved in sediment cores from 2 volcanic crater sites in the Albertine Rift, eastern Africa. The record extended well beyond the onset of substantial anthropogenic effects on tropical mountains. To ensure high-quality taxonomic inference from the sedaDNA sequences, we built an extensive DNA reference library covering the majority of the afro-alpine flora, by sequencing DNA from taxonomically verified specimens. Comparisons with pollen records from the same sediment cores showed that plant diversity recovered with sedaDNA improved vegetation reconstructions based on pollen records by revealing both additional taxa and providing increased taxonomic resolution. Furthermore, combining the 2 measures assisted in distinguishing vegetation change at different geographic scales; sedaDNA almost exclusively reflects local vegetation, whereas pollen can potentially originate from a wide area that in highlands in particular can span several ecozones. Our results suggest that sedaDNA may provide information on restoration targets and the nature and magnitude of human-induced environmental changes, including in high conservation priority, biodiversity hotspots, where understanding of preanthropogenic impact (or reference) conditions is highly limited.

Uso de ADN Sedimentario Antiguo como una Herramienta Novedosa de Conservación para la Biodiversidad Tropical de Grandes Altitudes

Resumen

La conservación de la biodiversidad en el futuro puede depender cada vez más de la disponibilidad de la información científica para establecer objetivos de restauración adecuados. En la paleoecología tradicional el polen hallado en sedimentos proporciona un medio para definir las condiciones de impactos preantropogénicas, pero hay problemas en el momento de establecer su proveniencia exacta y los niveles ecológicamente significativos de su resolución taxonómica. Exploramos el grado en el que el uso de ADN sedimentario antiguo (ADN seda) puede complementar la información del polen en la reconstrucción de ambientes alpinos del pasado en los trópicos. Construimos un registro de plantas afro-alpinas tomadas de ADN preservado en núcleos sedimentarios de dos sitios de cráteres volcánicos en la Falla Albertina, al oriente de África. El registro se extendió más allá del comienzo de los efectos antropogénicos sustanciales en las montañas tropicales. Para asegurar la inferencia taxonómica de alta calidad de las secuencias de ADN seda, construimos una biblioteca extensa de referencias de ADN cubriendo la mayoría de la flora afro-alpina, secuenciado el ADN de especímenes taxonómicamente verificados. Las comparaciones con los registros de polen de los mismos núcleos sedimentarios mostraron que la diversidad de plantas recuperada con el ADN seda mejoró las reconstrucciones de vegetación con base en los registros de polen al revelar tanto taxones adicionales como proporcionando una resolución taxonómica incrementada. Además, el combinar las dos medidas ayudó a distinguir cambios en la vegetación en diferentes escalas geográficas; el ADN seda casi siempre refleja exclusivamente la vegetación local, mientras que el polen puede originarse potencialmente a partir de un área amplia que en las tierras altas en particular puede abarcar varias ecozonas. Nuestros resultados sugieren que el ADN seda puede proporcionar información sobre los objetivos de restauración y la naturaleza y magnitud de los cambios ambientales inducidos por el ser humano, incluyendo en prioridad de alta conservación, hotspots de biodiversidad, donde entender las condiciones del impacto preantropogénico (o su referencia) es difícil.

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